CC BY
19
Таким образом, даже при относительно малых размерах исследуемой ВЩАР они оказываются существенными и составляют единицы миллиметров.
параметры: ширину 250 мм, длину 1000 мм, толщину 12 мм; число волноводных каналов размером 23 х10
мм равно 10; длина электромагнитной волны Я=3,2 см; материал - латунь с объемной плотностью
р = 8500 кг/м3 .
На рис. 2 приведена модель рассмотренной ВЩАР в Solid Works, деформированная в результате гармонического вибрационного воздействия с частотой f =50 Гц и амплитудой ^^ = 1500 Н . Локальные отклонения Az излучающей поверхности ВЩАР оценивались по оси Oz , т.е. по нормали к исходному положению излучающего полотна (см. рис. 1)
Рисунок 2 - Деформированная ВЩАР
Зависимость максимальных отклонений Агтах от амплитуды гармонических колебаний ^т в интервале от 0 до 1500 Н при / =50 Гц приведена на рис. 3.
Исследование показало, что вибрационные воздействия летательного аппарата привели к деформации излучающего полотна ВЩАР с ^тах = 4,3 мм.
Рисунок 3 - Максимальные отклонения ^тах в интервале изменения ^т
Заключение
Учитывая, что допустимые отклонения излучающей поверхности в направлении движения электромагнитной волны Аг не должны приводить к отклонению фазы более чем на ±^/8 , деформации ВЩАР не должны превышать Х/\6 [4]. Следовательно, для Я=3,2 см Аг составит 2 мм, а для Х=8 мм -0,5 мм. Полученные результаты указывают на возникновение при рассмотренных вибрационных воздействиях недопустимых деформаций, влияющих на характеристики их излучения, что подтверждается и другими работами, выполненными ранее [5, 6] . В связи с этим возникает необходимость оптимизации конструкции ВЩАР с целью исключения или минимизации такого влияния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прокофьев, Л.И. Методы изготовления волноводно-щелевых антенных решеток для бортовых АФС КВЧ-диапазона длин волн/ Л.И. Прокофьев, Ю.А. Светлаков, А.Ю. Седаков// Новые промышленные технологии, 2009. - №3. - С. 11-14.
2. Якимов, А.Н. Дискретное представление - основа моделирования антенн сложной конфигурации/ А.Н. Якимов, Э.В. Лапшин, Н.К. Юрков // Известия Самарского научного центра РАН. - т. 16. - № 4(2). -2014. - С. 454-458.
3. Муромцев, Д.Ю. Компьютерные технологии для расчёта тепловых режимов и механических воздействий: учебное пособие / Д.Ю. Муромцев, О.А. Белоусов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. -88 с.
4. Антенны УКВ/ под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. - М.: Связь, 1977. - 384 с.
5. Талибов, Н.А. Моделирование влияния вибраций на характеристики волноводно-щелевой антенны / Н.А. Талибов, А.Н. Якимов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество.- 2009. - Т 1 -С. 355-358.
6. Талибов, Н.А. Оценка влияния деформации волноводно-щелевой антенны на ее диаграмму направленности / Н.А. Талибов, А.Н. Якимов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество.-2008. - Т 2 - С. 146-148.
УДК 620.169.2
Ишков А.С., Цыганков А.И., Секретов Е.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»
Пенза, Россия
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Разработана методика проведения испытаний на кратковременную безотказность в ускоренном режиме проволочных потенциометров и методика прогнозирования значений их показателей надежности. Ускоряющим фактором процессов, приводящих к отказам электрических элементов является повышенная температура среды. Вид зависимости между количественными показателями надежности и количественными характеристиками внешних воздействий определяется аналитическим путем на основе рассмотрения принятой модели влияния физико-химических процессов на надежность потенциометров. Теоретическая зависимость максимально возможного коэффициента ускорения от величины энергии активации, получена на основании закона Аррениуса. Коэффициент ускорения используются для определения гамма-процентной наработки до отказа проволочных потенциометров на основе результатов испытаний. Применение математических моделей, описывающих физико-химических процессы проволочных потенциометров позволяет сократить объем и продолжительность дорогостоящих испытаний на надежность.
Ключевые слова:
проволочный потенциометр, температура, гамма-процентная наработка.
Введение осно
Резистивные датчики широко используются в ную
различных системах наведения, измерительных воло
устройствах следящих систем, системах управления ляет
приводами антенн и в других подобных информаци- Для
онно-управляющих системах. В соответствии с тре- кает
бованиями нормативно-технической документации мент
вными показателями, характеризующими надеж-работу резистивных датчиков на основе прочных потенциометров при их эксплуатации, яв-ся гамма-процентная наработка до отказа (Ту). подтверждения требований надежности допус-ся использовать следующие методы: экспери-альный на основе испытаний на кратковремен-
ную и длительную безотказность, расчетно-экспе-риментальный, расчетный на основе результатов испытаний изделий-аналогов [1].
Испытания на длительную безотказность приводят к существенным материальным и временным затратам, а воспользоваться же информацией о показателях надежности изделий-аналогов не всегда представляется возможным, например, из-за внесенных изменений в конструкцию или перечень материалов изделия. Поэтому для подтверждения требований по гамма-процентной наработке до отказа целесообразно применять расчетно-эксперимен-тальный метод, основанный на проведении испытаний на кратковременную безотказность в требуемых режимах и условиях, и дальнейшем вычислении показателей надежности потенциометров на основе статистических данных об изменении параметра-критерия годности изделия (ПКГ), а также количестве отказов, полученных в ходе испытаний.
Основная часть
Методы ускоренных испытаний основаны на увеличении скорости протекания физико-химических процессов, возникающих при изменении условий окружающей среды, и режимов работы и влияющих на свойства и характеристики материалов, входящих в состав изделия [2].
Изменение вида отказов с течением времени и в зависимости от величины воздействия ограничивают возможности ускоренных испытаний. Допустимый предел увеличения воздействующей величины ограничивается таким ее значением, при котором возникают новые процессы, отличные от процессов, наблюдаемых при номинальных условиях работы. Для ускорения процессов, приводящих к отказам электрических элементов повышается температура и электрическая нагрузка [3].
Под влиянием электрической нагрузки в потенциометре образуются тепловые и электрические поля, вызывающие электрокинетические, термоэлектрические, термодиффузионные и другие эффекты [4]. Течение физико-химических процессов приводит к изменению электрических параметров потенциометров.
При электрической нагрузке в материале компонентов потенциометра возникают дополнительные поля и физико-химические процессы, основными из которых являются:
- искажение теплового поля (неравномерность нагрева) и связанные с ним термомеханические напряжения,
- искажение электрического поля и возникновение градиента полей, создающего локальные перегревы, вызывающие пробой,
- электролиз, ионизация и другие процессы, протекающие в локальных областях.
Изменение электрического сопротивления потенциометра во времени обусловлено процессами окисления, диффузии и реакциями в твердых телах. Во всех случаях скорость протекания в материалах потенциометра физических и химических процессов является функцией температуры материала и имеет температурную зависимость, определяемую законом Аррениуса [5]:
г = • ехр^-
где vo - частотный множитель, 0 - энергия активации, т-1 - скорость релаксации, к - постоянная Больцмана.
Для оценки соответствия проволочных потенциометров требованиям надежности разработана методика устанавливающая расчетно-экспериментальный метод оценки гамма-процентной наработки до отказа при у = 95%. Методика предполагает оценку гамма-процентной наработки до отказа в два этапа.
1 этап - Проведение кратковременных испытаний на безотказность в ускоренном режиме. Испытания в ускоренном режиме предусматривают форсирование режимов, приводящее к интенсификации физико-химических процессов без изменения основных меха-
низмов отказов [3]. Ускоряющим фактором для появления отказов потенциометров является повышенная температура [6].
2 этап - Оценка гамма-процентной наработки до отказа и интенсивности отказов по результатам кратковременных испытаний не безотказность с применением методики статистического прогнозирования деградации ПКГ на время, превышающее время испытаний.
Испытания потенциометров на безотказность при продолжительности 1000 ч проводятся в два цикла. Первый цикл включает этапы:
1. Выдержка в камере тепла при температуре (85+3) °С и при нагрузке постоянного тока, соответствующей мощности, равной 1Вт для односек-ционных потенциометров. Потенциометры помещаются в камеру тепла, температура в которой повышается до (85+3) °С и выдерживаются в течение 400 ч. Точность поддержания напряжения ±5 %;
2. Выдержка в камере влаги в условиях повышенной влажности воздуха по методу 207-2 ГОСТ 20.57.406 без электрической нагрузки в течение 96 ч;
3. Испытание на износоустойчивость проводится при вращении оси потенциометра в пределах не менее 90 % рабочего угла и скорости вращения 100 оборотов в минуту с числом поворотов оси 41600 для низкоомных потенциометров и 83300 поворотов для высокоомных потенциометров.
Второй цикл заключается в проведении следующих этапов:
1. Выдержка в камере тепла (режимы аналогичны первому циклу) в течение 400 ч;
2. Выдержка в нормальных климатических условиях при напряжении постоянного тока, соответствующем 1 Вт для односекционных потенциометров в течение 96 ч. Точность поддержания напряжения ±5%;
3. Испытание на износоустойчивость аналогично испытанию на износоустойчивость, указанному в первом цикле.
Потенциометры считают выдержавшими испытания, если в процессе испытаний не было ни одного катастрофического или параметрического отказа, а ПКГ в процессе и после испытаний соответствует требованиям для испытаний на безотказность, т.е. относительное изменение полного сопротивления должно быть не более ±2%.
Коэффициент ускорения относительно режима и условий нормальных испытаний на безотказность определяется по формуле:
Ea( __í___!_ ^
£ -е k I Тн+273 Ту+273 J
где Еа - энергия активизации механизмов отказов, k - постоянная Больцмана, равная 8,6-10-5 эВ/0К, Тн, Ту - температура в нормальном и ускоренном режимах испытания соответственно.
Значение гамма-процентной наработки до отказа проволочных потенциометров определяется из соотношения:
Ту = tу•kу,
где tу - продолжительность испытаний на безотказность в ускоренном режиме.
В соответствии с предложенной методикой оценки были проведены испытания проволочных потенциометров на кратковременную безотказность в ускоренном режиме при температуре +850С в количестве 24 штук. В соответствии с результатами испытаний не выявлено ни одного катастрофического или параметрического отказа, а электрические параметры соответствуют установленным требованиям. Затем на основе предложенной методики выполнена оценка гамма-процентной наработки до отказа, которая должна быть равной Ту = 10000 часов при температуре +250С. По результатам расчетов установлено, что проволочные потенциометры соответствуют установленным требованиям в течение заданной гамма-процентной наработки.
С целью проверки достоверности разработанной методики были проведены испытания этих же про-
волочных потенциометров на длительную безотказность в течение 10000 часов. По результатам испытаний отказов не зафиксировано, значение ПКГ испытанных потенциометров не превышает допускаемых значений.
Заключение
Проведен анализ физико-химических процессов потенциометров при испытаниях на надежность.
Предложены физико-математические модели старения проволочных потенциометров. Разработана и опробирована методика оценки показателей надежности потенциометров, основанная на использовании результатов ускоренных испытаний с применением эмпирической зависимости старения комплектующих материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. И.А. Кострикина, А.С. Ишков, Е.Н. Галкина Применение методов ускоренных испытаний для исследований метрологической надежности информационно-измерительных систем // Надежность и качество сложных систем. 2014, № 3. - С. 67 - 73.
2. Ишков А.С., Тарабрин А.И., Колдов А.С. Автоматизированная система контроля климатических испытаний радиоэлектронных компонентов // Надежность и качество - 2014: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - Том 2 . - С. 94-95.
3. Литвинов, А. Н. Исследование состояния плат радиоэлектронных систем при тепловых воздействиях / А. Н. Литвинов, О. Ш. Хади, Н. К. Юрков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 182-191.
4. Хауффе К. Реакция в твердых телах и на их поверхности. - М. - Иностранная литература, 1962, 415 с.
5. Перроте А.И. Основы ускоренных испытаний радиоэлементов на надежность. - М. - Советское радио, 1969, 229 с.
6. Лушпа И.Л. Оценка коэффициентов вариации ресурса резисторов // Надежность и качество - 2015: труды Международного симпозиума: в 2-х т.- Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - Том 1. - С. 305-307.
УДК 621.317.6
Куроедов С.К., Светлов С.К.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»
Пенза, Россия
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ РЕГУЛЯРИЗАЦИЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ МЕТОДОМ УЗЛОВЫХ ИМПЕДАНСОВ
Рассмотрены возможности использования методов узловых адмитансов и импедансов для диагностики электрических цепей различного назначения. Отмечается, что метод узловых адмитансов характеризуется потенциально более высокой точностью определения собственных и взаимных адмитансов узлов цепи, однако область его применения ограничена, в основном, диагностикой пассивных цепей нефункционирующего оборудования. Для исследования метода узловых импедансов построена математическая модель косвенных измерений узловых импедансов с временным или ортогональным разделением измерительных сигналов, а также с временной избыточностью или избыточностью ортогональных составляющих воздействия на цепь в виде контурных токов. На основе данной модели определены условия оптимальности плана измерительного эксперимента по критерию точности результатов косвенных измерений. Проведен анализ влияния точности косвенных измерений и обусловленности матрицы узловых импедансов на точность совокупных измерений узловых адмитансов. Для регуляризации решения задачи совокупных измерений предложен способ поиска узловых пар, подключение к которым опорных двухполюсников обеспечивает минимизацию числа обусловленности преобразованной матрицы узловых импедансов при заданной системе ограничений на число и значения адмитансов двухполюсников. На примере ЬС-фильтра показана эффективность предлагаемого способа регуляризации решения задачи диагностики электрических цепей методом узловых импедансов.
Ключевые слова:
электрическая цепь, диагностика, обусловленности матрицы.
матрица узловых адмитансов, матрица узловых импедансов,
Узловые адмитансы (комплексные проводимости) являются характеристиками сообщения или разобщения узлов электрической цепи и могут быть использованы для ее диагностики и поэлементного контроля. Наиболее просто узловые адмитансы определяются косвенно - по токам внешних источников напряжения, подключаемых к полюсам диагностируемой цепи. Метод диагностики на основе результатов косвенных измерений в координатной системе узловых пар назван в [1] методом узловых адмитансов.
Реализация метода узловых адмитансов связана с необходимостью создания на полюсах диагностируемой цепи режимов заданных напряжений или короткого замыкания. Это ограничивает область использования данного метода, так как режим короткого замыкания или заданного напряжения между полюсами активного элемента может вызвать его необратимый отказ. Кроме того, использование таких режимов приводит к изменению функций как пассивных, так и активных цепей и не позволяет диагностировать цепи функционирующего оборудования.
Отмеченных недостатков лишен метод узловых импедансов (комплексных сопротивлений), основанный на совокупных измерениях узловых адмитан-сов, которые определяются по узловым импедансам диагностируемой цепи [2]:
Y = Z"
1
(1)
где V и Z - матрицы узловых адмитансов и импедансов размера пхп , п - число координат -узловых пар, в канонической системе координат п - число внешних узлов (полюсов) цепи без учета базисного полюса.
Для косвенного определения узловых импедансов в соответствующей координатной системе контуров
организуются режимы заданных токов // (/ € 1,п) от внешних источников или холостого хода и измеряются напряжения и/ (/ = 1,п) между полюсами диагностируемой цепи [1,3]. При использовании гармонических или полигармонических контурных токов матрица Z узловых импедансов определяется как решение матричного уравнения
и = Z• I , (2)
где и = ^и и I = - матрицы комплексных ам-
плитуд
U
и
Ii (Ц 6 1,m) напряжений щ и токов
// размером п х т , и = [иц...^] и 1 = [/^.../'п] - векторы-столбцы напряжений и/ и токов // , ^ и F/ - функционалы, определяющие соответствия между временными зависимостями напряжений и/ (/) и токов
ii (t) и их комплексными амплитудами Uи
hu ,
'V и
Т - символ транспонирования матрицы.
Обобщенное решение уравнения (2) при условии того, что I является матрицей полного ранга, имеет вид
Z = и•1+ , (3)
где 1+ = I ^Н - обобщенная обратная матрица
для матрицы I (обратная при т = п и псевдооб-
х*
ратная при т >п ), I - сопряженная, по отношению к I , матрица.
и
